En la primavera de 1983, Hammett recibió una llamada telefónica de los chicos de Metallica, que incluían al cantante/guitarrista James Hetfield, el baterista Lars Ulrich y el bajista Cliff Burton, preguntándole si estaría interesado en hacer una prueba para la banda ( su guitarrista original, Dave Mustaine, estuvo a punto de ser expulsado debido a un comportamiento errático). El grupo hizo arreglos para que Hammett volara a su nueva base de operaciones en Nueva York, donde pasó la prueba después de una sola interpretación de su himno clásico temprano, "Seek & Destroy", con Burton comparando la forma de tocar de Hammett con ese Euro-metal. guitarristas como Michael Schenker y Ritchie Blackmore, dos de los músicos favoritos de la banda. La nueva formación comenzó a trabajar instantáneamente en su álbum debut, Kill 'Em All, publicado el mismo año; dado que Hammett se unió poco tiempo antes, no tuvo la oportunidad de poner su propio sello en el material, optando en cambio por apégate a los riffs y al enfoque que Mustaine ya había establecido. Esto cambiaría en los próximos dos lanzamientos de la banda, Ride the Lightning de 1984 y Master of Puppets de 1986, ya que Hammett desarrolló su propio estilo en lo que muchos consideran uno de los mejores álbumes de metal de todos los tiempos.

Metallica se estaba convirtiendo rápidamente en una de las principales bandas de metal, pero la trágica muerte de Burton a mitad de la gira en septiembre de 1986 casi acabó con el grupo. Con el ex bajista de Flotsam & Jetsam, Jason Newsted, ocupando el lugar de Burton, Metallica siguió adelante, publicando dos álbumes de gran éxito, And Justice for All de 1988 y el lanzamiento homónimo de 1991, y estableciéndose como uno de los actos más grandes del rock. Otras giras con entradas agotadas y lanzamientos exitosos continuaron a lo largo de los años 90 (Load de 1996, Reload de 1997, Garage Inc de 1998 y S&M de 1999) mientras el grupo reinventaba su imagen anterior de heavy metalistas de pelo largo a vestidos cortos y elegantemente vestidos. hombres GQ con cabello (Hammett en particular, incluso usaba delineador de ojos y esmalte de uñas en esta época, ¡algo que habría justificado la terminación automática de la banda una década antes!). A lo largo de los años 90, la forma de tocar la guitarra de Kirk también cambió el enfoque de sus primeras raíces de metal a un estilo más terrenal (casi blues) al estilo de Jimi Hendrix, ya que la propia línea de seis cuerdas de la "serie exclusiva" de Hammett se fabricó a través de la compañía de guitarras ESP.